چگونه (بدون) جاذبه بر بی ثباتی قفس در بلبرینگ های RWA و Gyros تأثیر می گذارد
ناپایداری قفس در یاتاقان ها
پدیده ناپایداری قفس در بلبرینگ های ژیروسکوپ و RWA بی عواقب نیست. نویز و ارتعاشاتی ایجاد می کند که به طور قابل توجهی بر عملکرد عادی تجهیزات تأثیر می گذارد. طی چند دهه گذشته، ماموریتهای فضایی متعددی مانند Rosetta، GOES، Cassini، XMM-Newton و بسیاری دیگر با اختلالات قابل توجهی مواجه شدند که حتی برخی از آنها به دلیل مشکلات عملکرد بلبرینگ متوقف شدند.
وجه مشترک در میان این شکست های ماموریت، مشکل ناپایداری قفس در یاتاقان ها است. این مشکل شبیه اثر پروانه ای نظریه آشوب است - این یک مسئله پیچیده و آشفته است که پیش بینی آن سخت بوده و به طور گسترده ای سوءتفاهم شده است. این غیرقابلپیشبینیبودن سالها است که مأموریتهای فضایی را آزار میدهد و باعث عدم اطمینان و شکستهای پرهزینه میشود.
آیا می توانیم به صلاحیت تکیه کنیم؟
یک سوال طبیعی مطرح می شود: آیا یک صلاحیت موفق ژیروسکوپ یا RWA می تواند ثبات قفس را پس از پرتاب فضاپیما یا ماهواره به فضا تضمین کند؟
پاسخ قطعی منفی است و به دو دلیل اساسی.
دلیل اول در ماهیت ذاتی آشفته پدیده ناپایداری قفس نهفته است. این بدان معنی است که تغییرات جزئی در شرایط عملیاتی (سرعت، اصطکاک و غیره) یا تغییرات جزئی در هندسه قفس می تواند باعث ناپایداری قفس شود. بسیاری از پارامترها در واقع به تحریک این پدیده کمک می کنند. مهم نیست که چقدر صلاحیت گسترده باشد، برای مثال، پیش بینی دقیق تکامل واقعی شرایط عملیاتی یا فرسودگی تقریباً غیرممکن است. ماهیت پدیده همچنین به این معنی است که مطالعه و آزمایش موارد شدید یا محدود نمی تواند عملکرد مناسب آینده را تضمین کند.
دلیل دوم مستقیماً به دلیل اول مرتبط است. این مربوط به این واقعیت است که آزمایش های تجربی و صلاحیت یاتاقان ها به طور کلی وجود نیروی گرانشی را در نظر می گیرند. اما تاثیر گرانش بر پایداری قفس یاتاقان چیست؟ آزمایشهای تجربی نمیتوانند جاذبه را به دلیل واضحی نادیده بگیرند، و شبیهسازیهای عددی آن را بهعنوان واقعگرایانه توصیف میکنند و هدف آن تکرار تجربه است. اما در مورد فقدان جاذبه چطور؟ آزمایش های تجربی هیچ کمکی نخواهند کرد زیرا گرانش به هیچ وجه قابل حذف نیست.
وزن قفس ناچیز است، واقعا؟
با این حال، وزن قفس ناچیز است، در حدود چند میلینیوتن. پس چگونه چنین نیروی ضعیفی می تواند نقش مهمی در مقیاس فضاپیما ایفا کند؟ بیثباتی قفس صرفاً ایجاد یک مکانیسم منسجم را ترجمه میکند که تمایل به تقویت تصاعدی دارد. به عبارت دیگر، صرف نظر از شدت تلاشهایی که پس از شروع بیثباتی مشخص میشود، همیشه از یک موقعیت بسیار آرام شروع میشود. بنابراین، حتی یک نیروی بی نهایت کوچک، مانند وزن قفس، بدون شک می تواند بر حرکت قفس تأثیر بگذارد. این امر به ویژه در سرعتهای پایین یا رژیمهای گذرا صادق است، جایی که انرژی جنبشی قفس نمیتواند نیروهای اینرسی بسیار بیشتر از نیروی گرانش ایجاد کند. در نتیجه، مکانیسم های دخیل در تولد بی ثباتی نمی توانند عمل کنند. آنها توسط وزن قفس محدود می شوند، که تمایل دارد آن را در حالت پایدار نگه دارد.
این واقعیت با افزایش فرکانس چرخشی بلبرینگ تغییر می کند. ما می توانیم در اینجا قیاس ماشین لباسشویی را ترسیم کنیم. قفس وزن خود را متحمل می شود همانطور که لباس های شسته شده در ماشین لباسشویی وزن خود را تحمل می کنند. هنگامی که دستگاه چرخه خود را شروع می کند، درام به آرامی حول محور خود می چرخد (شبیه به حلقه یاتاقان). لباسها کمی تکان میخورند، اما در قسمت پایینی درام محصور میشوند: وزن لباسهای مرطوب برای حفظ جرم در داخل درام دستگاه کافی است. با این حال، به محض اینکه چرخه به سرعت چرخش خود، بین 1000 تا 2000 دور در دقیقه برسد، لباسها به دیوارههای درام فشرده میشوند. در این سرعت ها، نیروهای گریز از مرکز بسیار بیشتر است و وزن در مقایسه با آن کمرنگ می شود، گویی دیگر وجود ندارد. زمانی که فرکانس چرخشی آن افزایش می یابد، قفس یاتاقان دقیقاً این انتقال را تجربه می کند. به همین ترتیب، با افزایش انرژی جنبشی قفس، نیروی گرانشی به تدریج در برابر اثرات اینرسی محو می شود و در نهایت ناچیز می شود. فقط در این لحظه است که می توان طبیعت ناپایدار را مشاهده کرد، اگر وجود داشته باشد. نتیجه غم انگیز این است که آزمایش های آزمایشی زمینی نمی توانند تمایل بالقوه به سمت ناپایداری در سرعت های کم و متوسط را پیش بینی کنند! در عمل، محدوده سرعت مورد نظر در محدوده عملکرد استاندارد RWA یا ژیروسکوپ که بلبرینگ ها را در خود جای داده است، قرار می گیرد. در چنین مواردی، پیشبینی شکست روی زمین غیرممکن به نظر میرسد! با عواقب فاجعه بار احتمالی که می توان تصور کرد.
کاهش خطر قطعا امکان پذیر است
APO-GEE بر اساس درک عمیق مکانیسمهایی که باعث بیثباتی قفس میشود، یک طرح قفس جدید به نام قفس پروانهای طراحی کرده است که ذاتاً پایدار است و بهطور تجربی تأیید شده است (در انتظار ثبت اختراع). APO-GEE همچنین کاملاً می داند که چگونه خطر ناپایداری مرتبط با هر قفس را، فراتر از شرایط زمینی، ارزیابی کند، در حالی که تأثیر غیر گرانش را نیز در نظر می گیرد.
